CN220771982U - 在建筑物的外部上使用的热交换器和流体流动系统 - Google Patents

Abstract

本文提供一种在建筑物的外部上使用的热交换器和流体流动系统，所述热交换器包括在第一端与第二端之间延伸的管状元件，其中所述管状元件被构造成在使用时相对于水平面倾斜，使得其第二端升高为高于其第一端，所述第一端被构造为在使用时作为热源，所述第二端被构造为在使用时作为散热器，其中所述管状元件包括流体入口、流体出口和有盖通风口，所述流体入口用于连接到流体源，所述流体出口用于连接到流体汇槽，所述流体入口和所述流体出口布置在所述管状元件的所述第一端处，其中所述流体入口至少部分地在所述管状元件内轴向延伸并且升高为高于所述流体出口，并且所述有盖通风口布置在所述第二端处。

Description

在建筑物的外部上使用的热交换器和流体流动系统

技术领域

本实用新型涉及一种在建筑物的外部上使用的热交换器，优选地，使用自然力(诸如重力和毛细力)和可再生能源(诸如太阳能和风能)以及可再生资源(诸如雨水)的热交换器。本实用新型还涉及包括热交换器的流体流动系统，优选地用于冷却和加热的流体流动系统。

背景技术

冷却水和加热水不仅为直接消耗(诸如淋浴或洗涤)所需，而且还为建筑物和家庭提供空间冷却/加热能量所需的。此外，需要便宜的且容易安装并且安静且维护和修理简单的冷却和加热系统。

全球变暖目前给环境带来了严重的问题。化石燃料使用(例如用于加热和冷却)极大地导致了全球变暖，因为化石燃料会向大气中释放大量的二氧化碳。冷却和加热系统中制冷剂气体的使用也会导致全球变暖，因为这些气体会耗尽地球的大气中的保护性臭氧层。因此，需要一种用以加热和冷却的可再生和可持续解决方案。

炎热地区和干旱地区对冷却和加热系统存在特殊的要求。这些地区通常经历较大的昼夜温差：在夏季，白天的温度可以达到45C至50C，而夜间的温度通常在27C至30C之间。自来水通过长管道流动，由于管道暴露在阳光下，在白天会吸收热量。由于高速水流，与管道的内表面的摩擦也会产生额外的热量。此外，家庭用水通常储存在屋顶罐中，由于白天的阳光暴露，家庭用水变得更热。因此，在白天，干线供应的水可以达到40C或更高，即高于体温的温度，使其对于淋浴来说太热。室内或地下水罐不能解决此种问题，因为这些水罐不能受益于较冷的夜间环境温度而降低水的温度。

传统上，使用水罐制冷机和冷却器来获得用于淋浴和日常家庭使用的冷水。这些都有其各自的缺点。具体来说，水罐制冷机消耗大量电力，并且由于制冷剂与罐中的水的潜在混合而对健康造成危害。水罐冷却器可能是无效的，并可能滋生军团菌。此外，由于潜在的电击，它们是危险的。即使当通过太阳能供电时，制冷机和冷却器的效率也受到天空状况的限制，尤其是多云的天气。

其他可再生资源遭遇几个缺点，使它们不适合炎热地区和干旱地区。例如，地热和生物量技术与环境污染、地震/滥伐森林问题、高成本和对具有合适地热/生物量资源的地点的限制相关联。

实用新型内容

根据本实用新型的第一方面，提供一种在建筑物的外部上使用的热交换器，热交换器包括在第一端与第二端之间延伸的管状元件，其中管状元件被构造成在使用时相对于水平面倾斜，使得其第二端升高为高于其第一端，第一端被构造为在使用时作为热源，第二端被构造为在使用时作为散热器，其中管状元件包括流体入口、流体出口和有盖通风口，流体入口用于连接到流体源，流体出口用于连接到流体汇槽，流体入口和流体出口布置在管状元件的第一端处，其中流体入口至少部分地在管状元件内轴向延伸并且升高为高于流体出口，并且有盖通风口布置在第二端处，以在使用时使第一流体流能够从流体入口流动并且在管状元件内从第一端流到第二端，并且使第二流体流能够从第一流体流通过密度变化而形成，以便在管状元件内从第二端流到第一端并且流向流体出口，使得第一流体流和第二流体流作为彼此直接接触的逆流而自然地移动。

将热交换器安装在建筑物的外部(例如建筑物屋顶)上使热交换器内的流体的冷却能够使用可再生资源(诸如太阳能和风能)。因此，本实用新型的热交换器提供一种成本有效且节能的解决方案，其能够利用适用于炎热地区和干旱地区的可再生能源。

热交换器可构造成使得在使用时第一流体流的总体温度不同于，优选地高于第二流体流的总体温度。优选地，第一流体流定位在第二流体流的上方。第一流体流和第二流体流作为彼此直接接触的逆流而移动不仅能够经由直接热传导和自然热对流在两个流体流之间进行有效的热传递，而且有利于流体作为适当冷却或加热的流体流出热交换器。

热交换器相对于水平面的倾斜的角度可根据需要而变化。

热交换器可包括流体流动控制器，流体流动控制器被构造成在使用时控制第一流体流从流体入口流动并且在管状元件内从第一端流向第二端，并控制第二流体流从第一流体流通过密度变化而形成，以便在管状元件内从第二端流向第一端并且流向流体出口。在使用时，流体流动控制器可用于流体入口与流体源之间的连接。此类流体流控制器可包括但不限于泵。这使能够控制热交换器内的流体的流动，以优化热交换器内的流体与热交换器外的环境之间的热交换以及热交换器内的第一流体流与第二流体流之间的热交换。优选地，第一流体流和第二流体流被控制为层流或基本上层流。

在本实用新型的实施例中，热交换器可包括布置在管状元件的外表面上、外表面上方、外表面下方、外表面旁边或外表面周围的流体保持元件，其中流体保持元件可构造成在使用时保持流体，以便在管状元件的外表面上、外表面上方、外表面下方、外表面旁边或外表面周围形成流体膜。流体保持元件的提供使蒸发冷却能够进一步改善热交换器的效率。

在本实用新型的实施例中，流体保持元件可包括防UV材料和/或流体吸收材料和/或织物材料。例如，流体保持元件可包括棉纱布或合成布，这两种材料都使流体能够通过毛细作用移动通过流体保持元件，以便更换通过蒸发损失的流体。

设想到，流体保持元件可以使用不同类型的流体来实现蒸发冷却效果。优选的流体的选择是蒸馏水。因此，本实用新型的热交换器可以包括用于向流体保持元件提供蒸馏水的蒸馏水源。蒸馏水源的实例可以包括但不限于蒸馏器(例如太阳能蒸馏器)和储罐(例如室外储罐)，其可以例如过滤和积聚雨水。另外，由机械空调和除湿机过滤后产生的水可适用于蒸发。

设想到管状元件的不同构造。

优选地，管状元件是细长的管状元件。

管状元件可包括多个细长的管状子元件。流体入口和流体出口可布置在管状元件的第一端处，以在使用时使第一流体流能够在细长的管状子元件内从第一端流到第二端，并使第二流体流能够在细长的管状子元件内从第二端流到第一端，使得第一流体流和第二流体流作为彼此直接接触的逆流而移动。

设想到多个细长的管状子元件的不同布置。多个细长的管状子元件可以彼此间隔开。多个细长的管状子元件可布置成在管状元件的第一端与第二端之间彼此平行地延伸。

多个细长管状子元件的提供不仅增加可用于热交换的热交换器表面积，而且允许风有效地将灰尘从细长的管状子元件的外表面吹走。

此外，管状元件可包括第一管状连接器和第二管状连接器，第一管状连接器在管状元件的第一端处或朝向管状元件的第一端将细长的管状子元件流体互连，第二管状连接器在管状元件的第二端处或朝向管状元件的第二端将细长的管状子元件流体互连。这不仅使得设计流入和流出细长的管状子元件的流体的流动变得简单，而且使得操作和安装热交换器更容易。

根据本实用新型的第二方面，提供一种在建筑物的外部上使用的热交换器，热交换器包括在第一端与第二端之间延伸的管状元件，其中管状元件被构造成在使用时相对于水平面倾斜，使得其第二端升高为高于其第一端，其中第一端被构造成在使用时相对于管状元件的两个隅角之间的水平面倾斜，其中第二端被构造成在使用时相对于管状元件的另外两个隅角之间的水平面倾斜，其中管状元件包括流体入口、流体出口和有盖通风口，流体入口用于连接到流体源，流体出口用于连接到流体汇槽，流体入口和流体出口布置在管状元件中，以在使用时使流体流能够在管状元件内在第一端与第二端之间流动。

热交换器的上述构造通过将管状元件的一个隅角定位成低于管状元件的其他隅角来增强热交换器内的流体的冷却。特别地，在此种构造中，管状元件的倾斜使得管状元件中的一个或多个流体流的方向不垂直于周围空气的方向(例如由于自然对流或间歇性风能)。这有效地在一个或多个流体流与环境空气之间形成半交叉流动，半交叉流动增强热交换器内流体的冷却。

流体入口和流体出口可布置在管状元件的第一端处，以在使用时使流体流能够在管状元件内在第一端与第二端之间流动。

在本实用新型的实施例中，流体入口和流体出口可位于或朝向管状元件的隅角中的最低隅角。

在本实用新型的另外的实施例中，有盖通风口可位于管状元件的隅角中的最高隅角。

热交换器可以包括单个管状元件。热交换器可以包括多个管状元件。提供多个管状元件增大用于热交换的表面积。多个管状元件中的至少两个可构造成共享公共流体入口和/或公共流体出口和/或公共有盖通风口。

在本实用新型的实施例中，第一端可被构造成在使用时相对于管状元件的两个隅角之间的水平面倾斜，其中第二端可被构造成在使用时相对于管状元件的另外两个隅角之间的水平面倾斜。

应当理解，本实用新型的第一方面及其实施例中任一个的热交换器的特征可以与本实用新型的第二方面及其实施例中任一个的热交换器的特征相组合。

在本实用新型的实施例中，管状元件可以包括流体分配管道和管状管道，流体分配管道连接到流体入口，其中流体分配管道可以包括用于将流体从流体分配管道传输到管状管道的传输管道，其中传输管道可以与管状管道轴向对准并且可以布置成穿过管状管道，使得在使用时，流体直接从流体入口流进管状管道。

传输管道的端部可形成为具有倾斜的流体分流壁，其延伸到流体分配管道中。

本实用新型的管状元件优选地成形为六边形，优选地细长六边形。

根据本实用新型的第三方面，提供一种流体流动系统，流体流动系统包括根据本实用新型的前述方面和其实施例中任一个的热交换器、流体源和流体汇槽，其中热交换器的流体入口连接到流体源，并且热交换器的流体出口连接到流体汇槽。

本实用新型的第一方面或第二方面及其实施例的热交换器的特征和优点在加以必要的修正后适用于本实用新型的第三方面和其实施例的流体流动系统。

在本实用新型的实施例中，流体流动系统可以包括流体储罐。流体储罐可连接到流体入口，使得在使用时第一流体流的至少部分可从流体储罐经由流体入口流入热交换器中，且/或其中流体储罐可连接到流体出口，使得在使用时第二流体流的至少部分可从热交换器经由流体出口流入流体储罐中。这使流体能够在热交换器与流体储罐之间在回路中直接循环，使得来自流体储罐的流体可在返回流体储罐之前在热交换器内被冷却。

在本实用新型的其他实施例中，流体流动系统可包括流体储罐和第一内部热交换器，第一内部热交换器在流体储罐内延伸并穿过流体储罐，第一内部热交换器被构造成使得在使用时第一内部热交换器内部的流体可与流体储罐内的流体物理分离。第一内部热交换器可连接到流体入口，使得在使用时第一流体流的至少部分可从第一内部热交换器经由流体入口流入热交换器中，且/或其中第一内部热交换器可连接到流体出口，使得在使用时第二流体流的至少部分可从热交换器经由流体出口流入第一内部热交换器中。这使流体能够在热交换器与第一内部热交换器之间在回路中直接循环，使得来自第一内部热交换器的流体可在返回到第一内部热交换器之前在热交换器内被冷却，其中热可在流体储罐及第一内部热交换器内的流体之间交换。因此，经由第一内部热交换器在热交换器与流体储罐之间实现热交换。此外，流体储罐和第一内部热交换器可以构造成使用不同类型的流体。流体分配装置可以连接到流体储罐的出口以用于直接消耗，由此从储罐中取出的流体被通过其入口进入储罐的流体所取代。

在本实用新型的更进一步实施例中，流体流动系统可包括流体循环导管，流体循环导管连接到热交换器，使得在使用时流体可穿过热交换器和流体循环导管在回路中循环。流体循环导管可形成建筑物的内部加热和/或冷却系统的部分，诸如辐射地板管道或管回路。

本实用新型的流体流动系统可以包括第二内部热交换器，其中第二内部热交换器在管状元件(诸如第二管状连接器)内延伸并穿过管状元件，第二内部热交换器被构造成使得在使用时第二内部热交换器内的流体可与管状元件(诸如第二管状连接器)内的流体物理分离。第二内部热交换器的提供使热交换器和第二内部热交换器内的流体之间能够进行热交换。继而，第二内部热交换器内的冷却流体可被馈送到外部装置中。例如，流体流动系统可包括太阳能收集器装置，其中第二内部热交换器可构造成在使用时向太阳能收集器装置的至少一个流体管的入口馈送流体。这允许热交换器帮助加热太阳能收集器装置内的流体，从而提高效率。

应当理解的是，在本说明书中使用术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅仅是为了帮助在相似的特征之间进行区分，而不是旨在指示一个特征相对于另一特征的相对重要性，除非另有说明。

在本申请的范围内，明确地意图是，在前述段落和权利要求和/或以下描述和附图中阐述的各个方面、实施例、实例和替代方案、并且特别是其各个特征可独立地或以任何组合来采用。也就是说，所有实施例和任何实施例的所有特征可以任何方式和/或组合来组合，除非此类特征是不兼容的。申请人保留对改变任何最初申请的权利要求或相应地申请任何新权利要求的权利，包含能够修正任何最初申请的附属权利要求和/或并入任何其他权利要求(虽然最初不以所述方式主张)的任何特征的权利。

附图说明

现在将参考附图，通过非限制性实例来描述本实用新型的优选实施例，在附图中：

图1示出根据本实用新型的实施例的热交换器的单个管状元件；

图2示出根据本实用新型的实施例的热交换器；

图3示出流体分配管道；

图4示出根据本实用新型的另一实施例的热交换器；

图5至图7示出用于润湿图1的管状元件的系统；

图8示出蒸发冷却过程；以及

图9至图13示出根据本实用新型的实施例的流体流动系统。

具体实施方式

附图不一定按比例绘制，并且为了清楚和简明起见，附图的某些特征和某些视图可以按比例或以示意形式放大示出。

图1示出根据本实用新型的实施例的外部热交换器，并且通常由附图标记30表示。热交换器30包括能够在其中运送流体的管状元件。管状元件在第一端32与第二端34之间延伸，并且安装成相对于水平面倾斜，使得其第二端34升高为高于其第一端32。管状元件包括形成在管状元件的第一端32处的流体入口36和流体出口38。在使用时，流体入口36流体连接到流体源，而流体出口38流体连接到流体汇槽。

如图2所示，管状元件可以包括多个细长的管状管道40以及第一管状连接器42和第二管状连接器44。细长的管状管道40彼此间隔开，并且布置成在管状元件的第一端32与第二端34之间彼此平行延伸。第一管状连接器42垂直于细长的管状管道40延伸，并且在管状元件的第一端32处将细长的管状管道40流体互连。第二管状连接器44垂直于细长的管状管道40延伸，并且在管状元件的第二端34处将细长的管状管道40流体互连。

如图1示意性所示，当使用热交换器30进行水冷却时，包含热水的第一流体流46通过管状元件第一端32处的流体入口36流入热交换器30中，并通过细长的管状管道40从管状元件的第一端32流到第二端34。同时热水通过热交换器30的壁与外界环境进行热交换，从而降低第一流体流的水温度。第二流体流48在管状元件的第一端32到第二端34处形成并立即与第一流体流46分离。第二流体流48作为冷却水通过管状元件的第一端32处的流体出口38流出。

因此，第一流体流46和第二流体流48在细长的管状管道40内作为彼此直接接触的逆流而移动，其中第一流体流46在第二流体流48上方，并且其中第一流体流46的总体温度高于第二流体流48的总体温度。这通过管状元件的倾斜取向与管状元件的第一端32处的流体入口36和流体出口38的布置相结合而成为可能。作为彼此直接接触的逆流的第一流体流46和第二流体流48的构造使能够通过直接传导在第一流体流46与第二流体流68之间进行有效的热传递，并且因此进一步增强水冷却过程的效率。

优选地，两个流体流46、48的流速足够低以保持层流性，从而将这两个流体流46、48之间的混合最小化。因为第二流体流48的总体温度低于第一流体流46的总体温度，所以较冷的第二流体流48具有比第一流体流46更高的密度。因此，第二流体48在细长的管状管道40内的流动受到自然对流的帮助。

更具体地，在以下条件下，作为热交换器30内部逆流的第一流体流46和第二流体流48的形成是由密度变化和管状元件的倾斜取向引起的自然循环：

a.热源与散热器之间存在温差；

b.热源在比散热器更低的高度处；

c.热流和冷流必须彼此接触。

本实用新型的外部热交换器30满足这些条件，其中第一端32低于第二端34，第一端32在使用时充当热源，第二端34在使用时充当散热器(优选地在环境温度下)，第一流体流46进入第一端32并且自然地朝向第二端34移动，并且第二流体流48通过由温差引起的密度变化而自然地形成。因此，第一流体流46和第二流体流48能够在热交换器30内部作为彼此直接接触的逆流而移动。

如图3所示，管状元件在其第一端处包括流体分配管道50。流体分配管道50经由一系列传输管道52连接到第一管状连接器42，使得流体分配管道50中的水可以经由一系列传输管道52分流到第一管状连接器42中。每个传输管道52与细长的管状管道40中的相应一个轴向对准，并且被布置成穿过第一管状连接器42，使得水直接从传输管道52流入细长的管状管道40中并且使得阻止第一流体流46和第二流体流48完全混合。优选地，如图3所示，每个传输管道52的一端被形成为具有延伸到流体分配管道50中的倾斜的分水壁54，其中分水壁54充当水在流体分配管道50内流动的障碍物，从而以相等或基本相等的体积流率将水改道进入各个细长的管状管道40。

流体入口36形成在流体分配管道50上。流体出口38形成在第一管状连接器42上。因此，水首先经由流体入口36进入流体分配管道50，然后作为第一流体流46和第二流体流48流过细长的管状管道40，且最后经由流体出口38离开第一管状连接器42。优选地，流体入口36被定位成高于流体出口38。

管状元件由导热材料(诸如铝或铜)制成。每个管道40的长度可以是200cm。组合的细长的管状管道40可以具有100cm的宽度，宽度包括细长的管状管道40之间的间距。每个细长的管状管道40的直径可以在5cm至6.25cm的范围内。相邻细长的管状管道40之间的间距尺寸可以在6.25cm至10cm的范围内。每个管状连接器42、44的直径可以在6.25cm至7.5cm的范围内。优选地，每个管状连接器42、44的直径大于每个细长的管状管道40的直径。

作为流体流动系统的部分，热交换器盘管56可布置成在第二管状连接器44内延伸并穿过第二管状连接器。热交换器盘管56被构造成使得在使用时热交换器盘管56内的水可以与第二管状连接器44内的水物理分离。以此种方式，热交换器盘管56和第二管状连接器44形成壳管式热交换器，其允许热量从第二管状连接器44内的水传输到热交换器盘管56内的水。热交换器盘管56内的加热水可被馈送到外部装置58，诸如真空管太阳能收集器。

在本实用新型的其他实施例中，管状元件可以进一步倾斜，使得第一管状连接器42相对于管状元件的两个隅角之间的水平面倾斜，并且第二管状连接器44相对于管状元件的另两个隅角之间的水平面倾斜。以此种方式，管状元件的一个隅角低于管状元件的其他隅角。结果，管状元件中一个或多个流体流的方向不垂直于周围空气的方向(诸如由于自然对流或间歇性风能)。这有效地在一个或多个流体流与环境空气之间形成半交叉流动，从而增强热交换器30内流体的冷却。

在图4示意性示出的替代性实施例中，热交换器30包括两个彼此流体互连的管状元件，其中管状元件并排布置。除了管状元件共享公共流体入口36、公共流体出口38和公共有盖通风口64之外，图4的每个管状元件在结构和功能上类似于图1的管状元件。

优选地，每个管状元件是倾斜的，使得管状元件的一个隅角低于该管状元件的其他隅角。在此种实施例中，公共流体入口36和公共流体出口38可以在每个管状元件的最低隅角处或朝向最低隅角布置。第一管状连接器42和第二管状连接器44以及流体分配管道50可被形成为V形。流体出口38优选地在V形第一管状连接器42的基部60处或朝向基部形成。流体入口36优选地在V形流体分配管道50的基部62处或朝向基部形成。

视情况，在各种实施例中，用于对热交换器30进行通风的有盖通风口64可位于第二管状连接器44(诸如图1和图2所示，并且诸如V形第二管状连接器44的顶点)中。有盖通风口64可包括可操作以允许气泡逸出并且阻止灰尘进入的阀。通过将第一流体流46和第二流体流48暴露于大气压力，有盖通风口允许平衡第一流体流46和第二流体流48的压力水平。这增加了流体流46、48的层流并减少了湍流，从而促进了流体流46、48之间的分离以防止混合。

如图4所示，可以提供支撑架66以稳定地保持第一管状连接器42和第二管状连接器44连接到其的热交换器30。

管状元件优选地成形为六边形，并且更优选地细长六边形。

棉纱布68形式的流体保持元件紧紧地包裹在细长的管状管道40周围(图5)。通过拉伸棉纱布68，其孔口变得更细，使得毛细作用增加。棉纱布68的目的是保持水分，以便在细长的管状管道40的外表面周围形成水膜。

蒸馏水从蒸馏水源供应到棉纱布68。这继而导致棉纱布68通过粘附、重力和扩散在细长的管状管道周围形成蒸馏水膜。可使用其他类型的流体吸收织物材料来代替棉纱布68。

棉纱布68具有高毛细作用，这允许蒸馏水从细长的管状管道40流到棉纱布68的其余部分。此外，棉纱布68的网状结构有助于在细长的管状管道40的外表面上形成大的蒸馏水膜，同时提供相对于其周围环境减小的表面接触面积，从而有利地减少灰尘沉积。即使将在棉纱布68上形成灰尘沉积，棉纱布68也可以很容易地被太阳晒干并被风吹干净。结果，棉纱布68不易于出现灰尘沉积，灰尘沉积可限制蒸发冷却效果。此外，棉纱布68的柔性以及棉纱布68紧密包裹在细长的管状管道40周围，使棉纱布68能够承受强风。

图5示出位于细长的管状管道40上端处的毛细管70。毛细管70将蒸馏水供应到管状元件的第二端34处或附近的细长的管状管道40上。毛细绳71在一端处轴向螺纹穿过每个毛细管70，且在另一端处与棉纱布接触。每个毛细管70的内径可以精确地或约为2mm。优选地，毛细绳71由棉花或合成纤维纱线制成。

图6示出一系列毛细管70，毛细管中的每个用于在管状元件的第二端34处或附近将蒸馏水供应到相应的细长的管状管道40上。毛细管70连接到位于管状元件第二端34上方的公共流体导管72。公共流体导管72可以连接到蒸馏水源，蒸馏水源可以是小型水平圆柱形罐74(或其他储罐)，且小型水平圆柱形罐74可以由储罐76供应蒸馏水，其中水的供应由泵78控制，该泵继而由控制器150控制(如图7示意性所示)。毛细管70在第一端与第二端之间沿着公共流体导管72的长度连接并间隔开。通过毛细力，相对等量的蒸馏水流出毛细管70。图6示出一系列毛细管70连接到V形管道，但可以设想其他形状的管道。

蒸馏水连续流过毛细管70且跨毛细管流动，因为蒸馏水不含可堵塞毛细管70的盐。

优选地，毛细管70和公共流体导管72由共挤出的交联聚乙烯复合物(“pex-al-pex”)材料制成。

图8示出使用热交换器30执行的蒸发冷却过程。由于热交换器30周围的环境温度比细长的管状管道40内的第一流体流46的热水温度低，因此来自热水的热量通过细长的管状管道40的壁传输到周围环境。细长的管状管道40的外表面上的蒸馏水薄膜通过蒸发冷却来增强热量的传输。

当蒸馏水薄膜通过传导从细长的管状管道40内的热水中吸收热能且通过对流从环境热量中吸收热能时，水分子发生蒸发。因此，在细长的管状管道40周围形成湿热层80，并且湿层80通过自然对流向上移动，从而在细长的管状管道周围留下一定体积的低压空气。然后，一定体积的低压空气被来自周围环境的一定体积的高压空气82取代。因此，热量从细长的管状管道内的热水中去除，并散布到环境中，同时冷的干燥空气流向细长的管状管道，以继续蒸发冷却过程。蒸发冷却过程也可以通过间歇风84来增强，尤其是在夜间。

在示例性场景中，在日落后的几个小时内，热交换器30附近的周围环境通过在白天由下伏表面吸收的太阳辐射的释放而被加热。这可能导致热交换器30的外表面通过对流和辐射而变干，从而增加蒸馏水的消耗。将蒸发过程在日落后延迟几个小时，例如在下午7点日落后延迟约三个小时，因此减少蒸馏水的消耗。因此，蒸发冷却过程在夜间最有效，即从约晚上10点到约第二天早上7点。热交换器30周围的温度达到夜间湿球温度，夜间湿球温度可能在14℃至16℃的范围内。因此，热交换器30内的水的温度降低到比湿球温度高约6℃到7℃，即在20℃至23℃的范围内。由于太阳在夏天很早就升起，因此优选的是从日出时间直到约上午7点蒸发冷却过程结束，将热交换器屏蔽免受阳光直射，以使蒸发冷却过程能够从寒冷和干燥的早晨空气中获益。尽管蒸发冷却可能是缓慢的，或者在任何给定时刻可能提供相对低的冷却量，但蒸发冷却过程的过夜持续时间足以提供所需的整体冷却。

如图8所示，本发明人执行的实验示出，与没有热交换器30时仅冷却1.5℃-1.65℃的对照冷水储罐中的水相比，热交换器30将冷水储罐中的水冷却多达15℃-16℃。

热交换器30可以放置在倾斜建筑物屋顶上的平坦支架上，或者可以放置在平坦建筑物屋顶上的倾斜支架上。替代性地，热交换器30可以放置在地面上而不是屋顶上。

绝缘材料位于支架与热交换器30之间。支架的最小高度足够高，优选为80cm，以便不仅保护热交换器30免受由于在白天期间热交换器30下面的表面吸收的热量而产生的辐射，而且能够根据冷却和加热要求容易地安装和去除棉纱布68。

细长的管状管道40的纵向倾斜比率(也称为斜率)经选择以通过自然对流来增强热交换器30内的流体流，并且它还帮助蒸馏水通过重力流到细长的管状管道40上。优选地，细长的管状管道40的纵向倾斜比率正好或约为15:100。

细长的管状管道40的横向倾斜比率经选择，以允许热水容易地向上朝向有盖通风口流动以允许气泡逸出，帮助第二流体流48朝向流体出口38移动，并且增加热交换器30暴露于风中的表面积，以增强蒸发冷却过程。优选地，细长的管状管道40的横向倾斜比率正好或约为4:100。

图9至图13示出可用于水冷却和加热应用的流体流动系统。示例性地，使用流体流动系统在夏天冷却水，并且在其他季节加热水。系统特别适用于炎热地区和干旱地区的单户家庭。

在图9、图10和图11中，流体流动系统包括可以在闭环水冷却应用中组合使用的热交换器30和流体循环导管86，使得在使用时，流体可通过热交换器30和流体循环导管86在回路中循环。由于风流不受墙壁和树木的阻碍，热交换器30优选地安装在建筑物的屋顶上，但在其他实施例中可以安装在地面上。

如图10所示，泵88(例如，低流速泵)形式的流体流控制器任选地连接在流体循环导管86与热交换器30的流体入口36之间。在使用时，泵88可操作以控制热水从流体循环导管86到热交换器30的流速，从而使第一流体流46和第二流体流48能够在热交换器30内层流流动。流体出口38连接到流体循环导管86，以将冷却水从热交换器30返回到流体循环导管86，这可以通过重力和/或泵送来进行。以这种方式，水在热交换器30与流体循环导管86之间循环。

流体循环导管包括辐射地板管道回路90，其延伸穿过建筑物的地板92，该地板可以是混凝土板。水通过辐射地板管道回路90泵送。优选地，使用低流速泵。使用流过辐射地板管道回路90的冷水来通过吸收热量进行建筑物内部的空间冷却。流过辐射地板管道回路90的变热的水然后返回到热交换器30。冷水的温度通常在20C左右，这是针对冷却室的舒适温度。同时，冷水的温度足够高，以防止在地板上冷凝，尤其是在空气湿度低的干旱地区。辐射地板管道回路90提供大的表面积，因此增强热交换并且因此增强冷却。通过使用吊扇可以进一步增强冷却效果，并且降低地板冷凝的可能性。

如图11所示，在白天(例如从上午7点到晚上7点)，进出热交换器30的水的流动可以停止。

如图10所示，第二管状连接器44中的有盖通风口64任选地连接到排水回水罐94，该排水回水罐允许水从热交换器30排出到排水回水罐94中，以便保护热交换器在严寒条件期间免于冰冻。排水回水罐94优选地安装在建筑物内部。

当环境温度达到冰点时，安装在建筑物外的环境温度传感器96向控制器200发送信号。控制器200继而发送信号以打开放置在流体循环导管86与和排水回水罐94之间的阀98。当环境温度上升到高于冰点时，通过关闭阀98并接通泵100来对排水回水罐94进行排水，以通过连接管102重新注满热交换器30。连接管102、104基本上平行，并且从排水回水罐94向上延伸。排水回水罐94也可用于在定期维护期间清空热交换器30。当在较冷的季节期间排水回水罐94用作太阳能收集器时，它还允许将热交换器30朝向阳光重新定位。

替代性地，流体流动系统可以包括可在闭环水冷却应用中组合使用的热交换器30和冷水储罐。冷水储罐优选地安装在建筑物内部。冷水储罐示范性地由铝板或内衬有塑料层或铝塑管材料的薄板制成，并且优选地由绝缘材料封闭。铝板或薄板足够坚固，可以承受恒定且相对较低的压头压力。冷水储罐内的水优选地是处理过的水。

此类流体流动系统可以包括内部热交换器，其在冷水储罐内延伸并且穿过冷水储罐。温水经由温水馈送管道进入内部热交换器并且在流过内部热交换器时经由与冷水储罐中的冷水的热交换而冷却。冷却后的水流出内部热交换器并且然后可以用于家用或消耗。

在图12所示的流体流动系统的替代性构造中，内部热交换器86形式的流体循环导管可以在冷水储罐106内延伸并穿过冷水储罐，其中泵88用于控制水在热交换器30与内部热交换器86之间的循环。内部热交换器86内的水与冷水储罐106内的水物理分离。在内部热交换器86内的水与冷水储罐106内的水之间发生热交换。泵88将热水从内部热交换器86传输到热交换器30的流体入口36，并且冷却水从热交换器30返回到内部热交换器86。以这种方式，水在热交换器30与内部热交换器86之间循环。

如图13所示，泵88可以从图12所示的流体流动系统的替代性构造中省略。

如前所述，热交换器盘管56内的加热水可被馈送到外部装置。热交换器盘管56内的加热水被馈送到真空管太阳能收集器58的流体管的入口中。然后通过真空管太阳能收集器58的操作进一步加热流体管内的水。以这种方式，热交换器30能够通过真空管太阳能收集器58来帮助对水进行加热。在此类使用中，由于不需要蒸发冷却，因此从热交换器30中去除流体保持元件以允许暴露于阳光。

优选地，此类热帮助在寒冷时期和/或通过将热交换器30朝向太阳倾斜来进行。热交换器30可变黑以改善对太阳热能的吸收。可以在热交换器30的下侧添加金属板甲板，以提高其反射回未散射的太阳辐射的效率。

流过流体流动系统的流体通常是处理过的水、蒸馏水、雨水和空气。流体承载部件(诸如导管和管道)优选地由pex-al-pex材料制成，pex-al-pex材料具有许多优点，诸如抑制藻类生长和抵抗恶劣天气。Pex-al-pex材料是非反应性的，并且因此适用于所有类型的流动流体，并且也容易安装。为了获得最佳效率，流体流动系统的流体承载部件应是隔热的。

由于蒸发冷却过程发生在晚上并且因此没有阳光，因此热交换器30上的藻类生长被消除。此外，在白天期间，由于阳光暴露，热交换器30的温度上升到60C，而在晚上，它下降到夜间湿球温度，温度约在或者在15C至16C的范围内。此宽的温度范围阻止微生物在热交换器30上生长。此外，与热交换器30相互作用的间歇风阻碍藻类生长所需的稳定条件。它还加速棉纱布68的干燥，从而进一步破坏藻类生长所需的条件。

由于在冷却和加热两种构造中温度相对低，因此会防止流体流动系统中对管道的内壁的腐蚀。具体来说，在承载冷却水的流体流动系统的部分中，循环水的最高温度不超过50C。尽管在夏季的白天期间，热交换器30内的水的温度可能上升到约60C，但由于冷却系统没有运行，因此水是不流动的。在承载热水的流体流动系统的部分中，循环水的最高温度不超过60C。此外，循环处理过的水的流速是低的，例如大约每分钟2升。此外，由于水已经过处理，因此它不会腐蚀铝，铝是热交换器30、热交换器盘管56和内部热交换器的优选材料。

如果每年保存的雨水的量足以提供进行蒸发冷却所需的水量，则保存的雨水可适于用作进行蒸发冷却的蒸馏水。可使用过滤来去除保存的雨水中的树叶、大颗粒和/或悬浮固体颗粒。可以提供筒式过滤器，以在雨水进入小型水平圆柱形罐74之前过滤雨水中的轻/小颗粒。

当热交换器30被用作受益于夜间凉爽的被动水冷却器时，整个蒸馏水组件可以被去除，或者可以停止向细长的管状管道40供应蒸馏水。这是因为蒸发冷却不再需要蒸馏水薄膜。产生的冷水可能适合淋浴，因为冷却后的水温度低于人体的温度。冷却过程描述如下：自来水进入冷水储罐106。当太阳升起时，内部热交换器86与热交换器30的流体入口36之间的泵88被关断。在白天期间，热交换器30内的水变热。在从日落开始的一段时间(例如，3小时)之后，当泵88被接通以使水在热交换器30与内部热交换器86之间循环时，冷却过程开始。

本实用新型的优点包括但不限于：有效的水冷却和适当的加热；成本低且初始安装简单；易于维护和进入；避免了军团菌的风险；几乎没有声音污染；耐用；耐候性；最少或没有移动部分；减少对环境有害的化石燃料和制冷剂气体的需求；并减少电费。特别地，本实用新型的热交换器30比传统的热交换器更具成本效益，因为：

a)它节省时间。热交换器30与周围环境之间的温差更大，因此使多余的热量能够更快地提取。此外，热水通过第一端32比通过第二端34穿越更短的距离并因此花费更少的时间到达热交换器30，并且

b)它效率更高，因为蒸发冷却过程在管状管道40周围使用水薄膜，这不适用于常规热交换器。特别是，冷却后的蒸馏水从第二端34流向第一端32，与从第一端32流向第二端34的第一流体流46间接接触逆流。通过逆流进行的热交换比通过平形流进行的热交换更有效，后者可用于常规热交换器。

根据本实用新型的实施例的热交换器和流体流动系统可按比例缩放建筑物大小和/或建筑物加热或冷却要求。

在本说明书中列出或讨论明显在先公开的文件或明显在先公开的信息不一定被认为是承认该文件或信息是现有技术的一部分或者是公知常识。

除非上下文另外指示，否则本实用新型的给定方面、特征或参数的偏好和选项应被视为已经结合本实用新型的所有其它方面、特征和参数的任何和所有偏好和选项而公开。

Claims (10)

1.一种在建筑物的外部上使用的热交换器，其特征在于，所述热交换器包括在第一端与第二端之间延伸的管状元件，其中所述管状元件被构造成在使用时相对于水平面倾斜，使得其第二端升高为高于其第一端，其中所述第一端被构造成在使用时相对于所述管状元件的两个隅角之间的水平面倾斜，其中所述第二端被构造成在使用时相对于所述管状元件的另外两个隅角之间的水平面倾斜，其中所述管状元件包括流体入口、流体出口和有盖通风口，所述流体入口用于连接到流体源，所述流体出口用于连接到流体汇槽，所述流体入口和所述流体出口布置在所述管状元件中，以在使用时使流体流能够在所述管状元件内在所述第一端与所述第二端之间流动。

2.根据权利要求1所述的在建筑物的外部上使用的热交换器，其特征在于，所述流体入口和所述流体出口位于或朝向所述管状元件的所述隅角中的最低隅角，且/或其中所述有盖通风口位于或朝向所述管状元件的所述隅角中的最高隅角。

3.一种在建筑物的外部上使用的热交换器，所述热交换器包括在第一端与第二端之间延伸的管状元件，其特征在于，所述管状元件被构造成在使用时相对于水平面倾斜，使得其第二端升高为高于其第一端，所述第一端被构造为在使用时作为热源，所述第二端被构造为在使用时作为散热器，其中所述管状元件包括流体入口、流体出口和有盖通风口，所述流体入口用于连接到流体源，所述流体出口用于连接到流体汇槽，所述流体入口和所述流体出口布置在所述管状元件的所述第一端处，其中所述流体入口至少部分地在所述管状元件内轴向延伸并且升高为高于所述流体出口，并且所述有盖通风口布置在所述第二端处，以在使用时使第一流体流能够从所述流体入口流动并且在所述管状元件内从所述第一端流向所述第二端，并且使第二流体流能够从所述第一流体流通过密度变化而形成，以便在所述管状元件内从所述第二端流到所述第一端并且流向所述流体出口，使得所述第一流体流和所述第二流体流作为彼此直接接触的逆流而自然地移动。

4.根据权利要求1或权利要求3所述的在建筑物的外部上使用的热交换器，其特征在于，所述管状元件包括流体分配管道和管状管道，所述流体分配管道连接到所述流体入口，其中所述流体分配管道包括用于将流体从所述流体分配管道传输到所述管状管道的传输管道，其中所述传输管道与所述管状管道轴向对准并且布置成穿过所述管状管道，使得在使用时，流体直接从所述流体入口流进所述管状管道。

5.根据权利要求4所述的在建筑物的外部上使用的热交换器，其特征在于，所述传输管道的端部形成为具有延伸到所述流体分配管道中的倾斜的流体分流壁。

6.根据权利要求1或权利要求3所述的在建筑物的外部上使用的热交换器，其特征在于，所述管状元件成形为细长六边形。

7.根据权利要求1或权利要求3所述的在建筑物的外部上使用的热交换器，其特征在于，所述热交换器包括流体保持元件，所述流体保持元件布置在所述管状元件的外表面上、上方、下方、旁边或周围，其中所述流体保持元件被构造成在使用时保持流体，以便在所述管状元件的所述外表面上、上方、下方、旁边或周围形成流体膜。

8.一种流体流动系统，其特征在于，所述流体流动系统包括根据权利要求1或权利要求3所述的热交换器、流体源和流体汇槽，其中所述热交换器的所述流体入口连接到所述流体源，并且所述热交换器的所述流体出口连接到流体汇槽。

9.根据权利要求8所述的流体流动系统，其特征在于，所述流体流动系统包括：

a.流体储罐，其中所述流体储罐连接到所述流体入口，使得在使用时，第一流体流的至少一部分能够经由所述流体入口从所述流体储罐流进所述热交换器，且/或其中所述流体储罐连接到所述流体出口，使得在使用时，第二流体流的至少一部分能够经由所述流体出口从所述热交换器流进所述流体储罐；或者

b.流体储罐和第一内部热交换器，所述第一内部热交换器在所述流体储罐内延伸并且穿过所述流体储罐，所述第一内部热交换器被构造成使得在使用时，所述第一内部热交换器内的流体能够与所述流体储罐内的流体物理分离，其中所述第一内部热交换器连接到所述流体入口，使得在使用时，第一流体流的至少一部分能够经由所述流体入口从所述第一内部热交换器流进所述热交换器，且/或其中所述第一内部热交换器连接到所述流体出口，使得在使用时，第二流体流的至少一部分能够经由所述流体出口从所述热交换器流进所述第一内部热交换器。

10.根据权利要求8所述的流体流动系统，其特征在于，所述流体流动系统包括第二内部热交换器，其中所述第二内部热交换器在所述管状元件内延伸并且穿过所述管状元件，所述第二内部热交换器被构造成使得在使用时，所述第二内部热交换器内的流体能够与所述管状元件内的流体物理分离。